岩石の衝撃破壊機構の解明-レーザー・ボーリング技術への展開-

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本研究は、高速パルスパワーや短パルスレーザーを用いて種々の物性値を持つ岩石に衝撃エネルギー入力を行い、パルス・エネルギー注入による穿孔機構を解明するとともにレーザー・ボーリング技術への展開を検討することを目的とした。穿孔実験には、放電型のKrF・エキシマ・レーザー(出力〜200mJ/20nsec)を使用した。種々の岩石のサンプルを購入し、衝撃破壊に及ぼすエネルギー吸収率、熱伝導率、破壊応力限界、固体中での衝撃波の伝搬特性などに着目してデータ収集を行った。その結果、レーザー波長に透過しない物質では、穿孔速度は標的物質の熱容量と熱伝導率に依存性をもち、熱応力とアブレーション圧力に駆動される衝撃応力による穿孔機構が支配的であることが明らかになった。比較のために、石英板とCaF2板を購入し、穿孔実験を行ったところ、レーザー波長に対して透過性の物質ではレーザー出力密度がしきい値を越えると、標的内部から衝撃破壊が急速に進行し、穿孔速度が急激に大きくなることがわかった。基礎的な穿孔機構を明らかにする一方、レーザー・ボーリング技術を展開するには可搬性を持つ大出力レーザーを開発することが不可欠である。可搬性を持つ大出力レーザー(高エネルギー流体レーザー)の最も重要な要素技術である空力レーザー窓の開発と超音速混合流の圧力回復特性を明らかにした。開発したレーザー窓は、ディフューザー形状の改良により圧力比50を達成し、従来の3倍の圧力保持能力を持つことがわかった。また、超音速混合流の基本的な散逸機構と圧力回復特性を明らかにした。これらの研究結果を基にして、スケールアップしたパラメータ領域での穿孔実験を現在計画中である。